Skræddersyet kemi forbinder nanopartikler i stabile monolag

Ligesom kulstofatomer i plader af grafen, nanopartikler kan danne stabile lag med minimale tykkelser af diameteren af ​​en enkelt nanopartikel. En ny metode til at forbinde nanopartikler til sådanne ekstremt tynde film er blevet udviklet ved Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi i Warszawa.

Den kemiske skrædder skærer sin frakke efter... hans nanopartikler

De skræddersyede succeser til dato for forskere, der syntetiserer lag af nanopartikler, ville ikke være tilstrækkelige til at iscenesætte selv de mest beskedne kemiske modeshows. Nanopartikler kunne organiseres i enkeltpartikellagtykkelser - dvs. monolag - men disse strukturer var ikke stabile, fordi det ikke var muligt at forbinde nanopartikler sammen på en stabil måde i monolag indtil nu.

"I de seneste år, vores gruppe ved Institut for Fysisk Kemi ved det polske videnskabsakademi i Warszawa har arbejdet på at udvikle en universel platform til syntese af stabile monolag af nanopartikler. I dag, vi har bevis for, at vores 'skræddersyede' metode til kemisk binding af nanopartikler i monolag faktisk virker, " siger Dr. Marcin Fialkowski, professor ved IPC PAS, og demonstrerer en lille, lag, lagt på en tallerken, med den mindst mulige tykkelse - lig med diameteren af ​​en enkelt nanopartikel af guld.

Monolag af kemisk syede guldnanopartikler fremstillet ved IPC PAS har overfladearealer i størrelsesordenen kvadratmillimeter, og af indlysende årsager, de er meget sarte. Mekanisk, de ligner akrylplader - når de udsættes for kræfter, de deformeres i starten elastisk, hvorefter de pludselig revner.

"Vores monolag er ikke store, fordi vi kun ønskede at demonstrere rigtigheden af ​​konceptet om deres syntese. Intet står i vejen for at fremstille monolag på den måde, som vi foreslår med områder med mange kvadratcentimeter, " siger prof. Fialkowski.

Nanopartikellag er blevet fremstillet i årevis ved grænsefladen mellem to ublandbare væsker. Når det indføres i en tungere væske, ved mekanisk omrøring, passende tilberedte nanopartikler flyder ud af den og fordeler sig tilfældigt på grænsen til den lettere væske. Ordren kan etableres ved at komprimere nanopartiklerne med stempler fra siden og derved komprimere dem. Monolag fremstillet på denne måde var hidtil ikke holdbare, og når de forsøgte at fjerne dem fra grænsefladen, faldt de simpelthen fra hinanden. På tur, strukturer bundet kemisk, i stand til at overleve adskillelse fra grænsefladen, viste sig altid at være enten flerlags eller amorfe kompositter af nanopartikler.

"Vores monolag er stabile, fordi vi har forbundet nanopartiklerne med specielle "hæfteklammer", ' eller linkermolekyler. Hver linker forbinder to tilstødende nanopartikler med stærke kovalente bindinger - dvs. kemisk", forklarer Dr. Tomasz Andryszewski (IPC PAS), hovedforfatter til publikationen i tidsskriftet Materialernes kemi .

Guldnanopartiklerne brugt i forsøg på IPC PAS har diametre på omkring fem nanometer (milliarddele af en meter); længden af ​​de anvendte linkere er kun halvanden. For at en sådan kort linker skal binde sammen tilstødende nanopartikler, disse skal forskydes passende mod hinanden.

"Den største vanskelighed i vores arbejde lå i, at vi skulle forene to krav, der i princippet var modsatrettede. På grund af længden af ​​linkeren, vi vidste, at nanopartiklerne skulle bringes sammen for at være en lille afstand fra hinanden, hvilket betyder, at de skulle udsættes for relativt store kræfter. Derfor, vi ønskede ikke, at nanopartiklerne skulle springe ud af grænsefladen. På samme tid, vi skulle på en eller anden måde forhindre nanopartiklerne i at klæbe sammen til tilfældige strukturer, " siger Dr. Andryszewski.

For at opfylde disse betingelser, nanopartiklerne var belagt med små, specialdesignede molekyler (ligander), som på den ene side indeholdt amingrupper (med nitrogen og brint), og på den anden, thiolgrupper (med svovl og brint). Thioldelene kombineret med guldet, mens aminodelene placerede sig på ydersiden af ​​nanopartiklerne og gav dem en positiv elektrisk ladning.

"De modificerede guldnanopartikler fungerer som bøjer med en stor forskydning. De placerer sig ved grænsen mellem væskerne så holdbart, at selv stærk omrøring ikke er i stand til at skubbe dem ud. de frastøder hinanden elektrostatisk. Som resultat, hver nanopartikel er garanteret et 'privat rum' omkring sig selv, nødvendig for at bevare orden, " forklarer Ph.D.-studerende Michalina Iwan (IPC PAS).

Når de passende forberedte nanopartikler allerede var blevet presset ind i monolag ved grænsefladen, et bindende stof blev sprøjtet ind i systemet. Tværbindingsreaktionen, minder om automatisk hæftning, fandt sted ved stuetemperatur og ved normalt tryk, uden behov for initiatorer eller katalysatorer. Efter den kemiske anastomose, monolaget kunne fjernes fra grænsefladen mellem væskerne, tørret ud, og endda udsat for virkningen af ​​stærke opløsningsmidler.

De fysiske egenskaber af monolag afledt under anvendelse af skræddersyet kemi kan modificeres ved at vælge passende linkere. Længere, polymerlinkere ville tillade dannelsen af ​​monolag med en højere elasticitet. Brug af strømledende linkere, det ville igen være muligt at fremstille monolag med specifikt bestemte optoelektroniske egenskaber. Brugen af ​​endnu andre linkere kan resultere i, at monolag udviser en piezoresistiv effekt, dvs. at ændre deres elektriske ledningsevne under påvirkning af mekaniske deformationer. Den nye syntesemetode er også vigtig for grundforskningen - i fremtiden, det vil muliggøre direkte undersøgelse af ting som de mekaniske egenskaber af enkelte nanopartikler.